CN112478009B - 一种磁控双向运动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁控双向运动软体机器人，包括柔性躯干和腿部结构，柔性躯干和腿部结构均由无磁性材质制成，柔性躯干由柔性材质制成，柔性躯干包括顺次相连的头部、腹部和下肢部，头部连接有第一磁驱动柔性薄膜驱动器，腹部均连接有第二磁驱动柔性薄膜驱动器，第一磁驱动柔性薄膜驱动器和第二磁驱动柔性薄膜驱动器的磁极相反，腿部结构与柔性躯干相连，腿部结构包括前腿和后腿，前腿设置于头部与腹部之间，后腿与下肢部相连。本发明的磁控双向运动软体机器人，通过调控磁场强度的大小和方向，能够实现软体机器人的双向可控运动。

Description

一种磁控双向运动软体机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种磁控双向运动软体机器人。

背景技术

软体机器人作为新兴的机器人研究方向，具有很广泛的应用前景。与传统的机器人相比，具有更高的自由度和更强的灵活性，能实现任意方向的形变，在复杂工况下的表现远优于传统机器人。目前，软体机器人的驱动方式有很多，包括气压驱动，热驱动，电驱动，磁驱动等。随着软体机器人的研究逐渐深入，发现磁场作为一种无源的驱动方式，穿透性强，响应速度快，适应于多种复杂环境。与其他驱动方式相比，磁驱动属于无线控制，响应速度也更快，是目前的研究热点。

在磁驱动仿生软体机器人方面，现有技术公开了磁控单向蠕动式软体机器人，通过磁场力驱动磁流体材料，利用单向摩擦凸起矩阵将上下方向的磁场力转换为软体机器人前进方向上的驱动力。不过该结构利用重力进行铺展前进，而软体材料的重量很轻，响应不及时，运动速度慢，甚至出现停顿情况。同时四个足部的摩擦力设计，无法保证结构的运动方向一致，会出现结构打转的可能。此外该结构制作复杂，四个足部的角度弧度都需要保持一致，很影响结构的成品率。最主要的是，结构只能进行单一方向运动，适应性较差。

在磁驱动仿生软体机器人方面，现有技术公开了一种电磁驱动的仿蛇形软体机器人，该软体机器人由几个最小单元粘接组成，每个最小单元里都包含六个按照六边形的形状排列的条形电磁铁，通过控制每个电磁铁的通断来控制仿蛇形软体机器人的前进，转弯，蜿蜒爬行等高难度动作。不过该结构需要连接复杂的线路电路来控制每个电磁铁的通断，同时连接沉重的供电系统，也会影响机器人的灵活性。

在磁驱动仿生软体机器人方面，现有技术公开了一种磁流变液软体机器人的控制方法，这款磁流变液软体机器人具有可形变壳体，可形变壳体内部有磁流变液，它的运动控制是通过对软体机器人的不同部位依次施加不同的磁场，这种方法可以使软体机器人完成多种复杂运动。不过，该软体机器人设计存在不合理之处，运动效果不好，磁场作为一种激励源，很难将作用范围限制在某一区域，即施加的磁场会对整个结构产生影响，不会单独作用在一个部位，所以对结构不同部位施加不同方向磁场的方法缺点明显。

因此，如何改变现有技术中，磁控软体机器人结构复杂，可控性不佳的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁控双向运动软体机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使软体机器人的结构简单、控制方便，提高软体机器人的灵活轻便度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种磁控双向运动软体机器人，包括柔性躯干和腿部结构，所述柔性躯干和所述腿部结构均由无磁性材质制成，所述柔性躯干由柔性材质制成，所述柔性躯干包括顺次相连的头部、腹部和下肢部，所述头部连接有第一磁驱动柔性薄膜驱动器，所述腹部均连接有第二磁驱动柔性薄膜驱动器，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器和所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器的磁极相反，所述腿部结构与所述柔性躯干相连，所述腿部结构包括前腿和后腿，所述前腿设置于所述头部与所述腹部之间，所述后腿与所述下肢部相连；处于不受力的自然状态时，所述头部和所述腹部与接触面之间具有间隙，且所述头部与接触面之间的距离较所述腹部与接触面之间的距离大，所述前腿和所述后腿均与接触面相抵接。

优选地，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器设置于所述头部朝向接触面的一侧，所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器设置于所述腹部朝向接触面的一侧，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器和所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器均由阵列化填充钕铁硼磁颗粒的硅胶制成。

优选地，所述柔性躯干和所述腿部结构均由硅胶材质制成，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器、所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器和所述腿部结构均通过粘附材料与所述柔性躯干粘接相连，所述粘附材料为硅胶粘接剂。

优选地，所述前腿的一端与所述柔性躯干相连，处于不受力的自然状态时，所述前腿的另一端朝向远离所述后腿的方向倾斜并与接触面相抵接。

优选地，处于不受力的自然状态时，所述下肢部与接触面相平行，所述后腿与所述下肢部平行设置并与接触面相抵接。

优选地，处于不受力的自然状态时，所述头部与接触面相平行，所述腹部自所述头部向所述下肢部倾斜。

优选地，所述后腿远离所述前腿的一端突出所述下肢部设置。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的磁控双向运动软体机器人，包括柔性躯干和腿部结构，柔性躯干和腿部结构均由无磁性材质制成，柔性躯干由柔性材质制成，柔性躯干包括顺次相连的头部、腹部和下肢部，头部连接有第一磁驱动柔性薄膜驱动器，腹部均连接有第二磁驱动柔性薄膜驱动器，第一磁驱动柔性薄膜驱动器和第二磁驱动柔性薄膜驱动器的磁极相反，腿部结构与柔性躯干相连，腿部结构包括前腿和后腿，前腿设置于头部与腹部之间，后腿与下肢部相连；处于不受力的自然状态时，头部和腹部与接触面之间具有间隙，且头部与接触面之间的距离较腹部与接触面之间的距离大，前腿和后腿均与接触面相抵接。本发明的磁控双向运动软体机器人，前进运动状态分为两个阶段，头部抬起腹部收缩阶段和头部落下腹部拱起阶段，将软体机器人置于磁场中，且磁场磁感应强度较小，第一磁驱动柔性薄膜驱动器受到排斥力，向上抬起，第二磁驱动柔性薄膜驱动器受到吸引力，向下压下，在两个方向相反的力的作用下，后腿承受的压力较前腿承受的压力大，后腿与接触面之间的最大静摩擦力大，后腿作为支撑不发生滑动，前腿承受的压力较小，在第一磁驱动柔性薄膜驱动器的牵引下，同时在第二磁驱动柔性薄膜驱动器的前推下，前腿向前移动；当磁场的磁感应强度方向发生变化时，第一磁驱动柔性薄膜驱动器受到吸引力，头部向下压下，第二磁驱动柔性薄膜驱动器受到排斥力，腹部向上抬起，柔性机器人在两个方向相反的力的作用下，前腿承受的压力较后腿承受的压力大，前腿作为支撑不发生向后移动，后腿在第二磁驱动柔性薄膜驱动器的牵引下向前移动，循环往复实现向前运动。同样地，磁场的磁感应强度增大时，软体机器人向后运动状态也分为两个阶段，头部竖直腹部贴地阶段和头部贴地腹部拱起阶段，第一磁驱动柔性薄膜驱动器受到排斥力，头部与接触面接近垂直，前腿向上抬起悬空，第二磁驱动柔性薄膜驱动器受到吸引力，紧贴接触面，软体机器人呈半弧形，当磁场的磁感应强度方向改变时，第一磁驱动柔性薄膜驱动器受到吸引力，向下贴近接触面，第二磁驱动柔性薄膜驱动器受到排斥力，向上抬起，前腿和后腿都“站立”起来，且前腿倾斜角度大于后腿，腹部拱起，以前腿和后腿为支撑呈拱门状，由阶段一到阶段二的过程中，前腿向后跳跃，实现后移，由阶段二转化为阶段一的过程，前腿由于倾斜角度大，恢复到水平方向时，阻力大于后腿，因此腹部下落过程中，后腿后移距离大于前腿向前滑动距离，软体机器人向后运动，循环交替运动能够实现向后跳跃式移动。本发明的磁控双向运动软体机器人，通过调控磁场强度的大小和方向，能够实现软体机器人的双向可控运动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的磁控双向运动软体机器人的结构示意图；

图2为本发明的磁控双向运动软体机器人前进运动时的示意图；

图3为本发明的磁控双向运动软体机器人前进运动时另一阶段的示意图；

图4为本发明的磁控双向运动软体机器人后退运动时的示意图；

图5为本发明的磁控双向运动软体机器人后退运动时另一阶段的示意图；

其中，1为柔性躯干，101为头部，102为腹部，103为下肢部，2为第一磁驱动柔性薄膜驱动器，3为第二磁驱动柔性薄膜驱动器，4为前腿，5为后腿，6为接触面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种磁控双向运动软体机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使软体机器人的结构简单、控制方便，提高软体机器人的灵活轻便度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-5，其中，图1为本发明的磁控双向运动软体机器人的结构示意图，图2为本发明的磁控双向运动软体机器人前进运动时的示意图，图3为本发明的磁控双向运动软体机器人前进运动时另一阶段的示意图，图4为本发明的磁控双向运动软体机器人后退运动时的示意图，图5为本发明的磁控双向运动软体机器人后退运动时另一阶段的示意图。

本发明提供一种磁控双向运动软体机器人，包括柔性躯干1和腿部结构，柔性躯干1和腿部结构均由无磁性材质制成，柔性躯干1由柔性材质制成，柔性躯干1包括顺次相连的头部101、腹部102和下肢部103，头部101连接有第一磁驱动柔性薄膜驱动器2，腹部102均连接有第二磁驱动柔性薄膜驱动器3，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2和第二磁驱动柔性薄膜驱动器3的磁极相反，腿部结构与柔性躯干1相连，腿部结构包括前腿4和后腿5，前腿4设置于头部101与腹部102之间，后腿5与下肢部103相连；处于不受力的自然状态时，头部101和腹部102与接触面6之间具有间隙，且头部101与接触面6之间的距离较腹部102与接触面6之间的距离大，前腿4和后腿5均与接触面6相抵接。

本发明的磁控双向运动软体机器人，前进运动状态分为两个阶段，头部101抬起腹部102收缩阶段和头部101落下腹部102拱起阶段，将软体机器人置于磁场中，且磁场磁感应强度较小，磁感应强度为B(或-B，B≠0)，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2受到排斥力，向上抬起，第二磁驱动柔性薄膜驱动器3受到吸引力，向下压下，在两个方向相反的力的作用下，后腿5承受的压力较前腿4承受的压力大，后腿5与接触面6之间的最大静摩擦力大，后腿5作为支撑不发生滑动，前腿4承受的压力较小，在第一磁驱动柔性薄膜驱动器2的牵引下，同时在第二磁驱动柔性薄膜驱动器3的前推下，前腿4向前移动，如图2所示；当磁场的磁感应强度方向发生变化时，磁感应强度为-B(或B，B≠0)第一磁驱动柔性薄膜驱动器2受到吸引力，向下压下，第二磁驱动柔性薄膜驱动器3受到排斥力，向上抬起，柔性机器人在两个方向相反的力的作用下，前腿4承受的压力较后腿5承受的压力大，因此前腿4与接触面6之间的最大静摩擦力更大，又因为前腿4为倾斜结构，前腿4作为支撑不发生向后移动，后腿5在第二磁驱动柔性薄膜驱动器3的牵引下向前移动，如图3所示，循环往复实现向前运动。

同样地，磁场的磁感应强度增大时，软体机器人的后退运动状态也分为两个阶段，头部101竖直腹部102贴地阶段和头部101贴地腹部102拱起阶段，当磁场的磁感应强度为B(或-B，B≠0)时，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2受到排斥力，头部101与接触面6接近垂直，前腿4向上抬起悬空，第二磁驱动柔性薄膜驱动器3受到吸引力，紧贴接触面6，软体机器人呈半弧形，如图4所示，当磁场的磁感应强度方向改变为-B(或B，B≠0)时，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2受到吸引力，向下贴近接触面6，第二磁驱动柔性薄膜驱动器3受到排斥力，向上抬起，前腿4和后腿5都竖直“站立”起来，且前腿4倾斜角度大于后腿5，腹部102拱起，以前腿4和后腿5为支撑呈拱门状，如图5所示，由阶段一到阶段二的过程中，前腿4向后跳跃，实现后移，由阶段二转化为阶段一的过程，前腿4由于倾斜角度大，恢复到水平方向时，阻力大于后腿5，因此腹部102下落过程中，后腿5后移距离大于前腿4向前滑动距离，软体机器人向后运动，循环交替运动能够实现向后跳跃式移动。本发明的磁控双向运动软体机器人，通过调控磁场强度的大小和方向，能够实现软体机器人的双向可控运动。

其中，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2设置于头部101朝向接触面6的一侧，第二磁驱动柔性薄膜驱动器3设置于腹部102朝向接触面6的一侧，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2和第二磁驱动柔性薄膜驱动器3均由阵列化填充钕铁硼磁颗粒的硅胶制成，在第一磁驱动柔性薄膜驱动器2和第二磁驱动柔性薄膜驱动器3带动头部101和腹部102运动时，尽量降低第一磁驱动柔性薄膜驱动器2和第二磁驱动柔性薄膜驱动器3对柔性躯干1形变的影响，使柔性躯干1能够顺利产生形变。

在本具体实施方式中，柔性躯干1和腿部结构均由硅胶材质制成，第一磁驱动柔性薄膜驱动器2、第二磁驱动柔性薄膜驱动器3和腿部结构均通过粘附材料与柔性躯干1粘接相连，粘附材料为硅胶粘接剂，粘接连接牢固，操作便捷。

具体地，前腿4的一端与柔性躯干1相连，处于不受力的自然状态时，前腿4的另一端朝向远离后腿5的方向倾斜并与接触面6相抵接，前腿4倾斜设置，使得软体机器人顺利实现前进和后退运动。

另外，处于不受力的自然状态时，下肢部103与接触面6相平行，后腿5与下肢部103平行设置并与接触面6相抵接。相应地，处于不受力的自然状态时，头部101与接触面6相平行，腹部102自头部101起向下肢部103倾斜。

在本具体实施方式中，后腿5远离前腿4的一端突出下肢部103设置，在腹部102拱起时，突出下肢的后腿5一端与接触面6抵接。

本发明的磁控双向运动软体机器人，包括两块磁性相反的磁驱动柔性薄膜驱动器，受到磁场力作用，磁场的方向是循环向上向下，通过调节磁场力、磁场变换频率的大小，即可控制软体机器人完成前进和后退运动，动力系统简单，控制方便。磁场条件下的磁驱动柔性薄膜驱动器无需外接复杂、沉重的线路即可达到预想的运动效果，充分的发挥出软体机器人灵活、轻便的特点，无线控制的磁控单向运动软体机器人可以进入更加狭小、曲折的工作空间。本发明的磁控双向运动软体机器人，利用磁驱动柔性薄膜的磁驱动特性，实现结构在磁场调控下的可控运动，适于推广应用。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种磁控双向运动软体机器人，其特征在于：包括柔性躯干和腿部结构，所述柔性躯干和所述腿部结构均由无磁性材质制成，所述柔性躯干由柔性材质制成，所述柔性躯干包括顺次相连的头部、腹部和下肢部，所述头部连接有第一磁驱动柔性薄膜驱动器，所述腹部均连接有第二磁驱动柔性薄膜驱动器，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器和所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器的磁极相反，所述腿部结构与所述柔性躯干相连，所述腿部结构包括前腿和后腿，所述前腿设置于所述头部与所述腹部之间，所述后腿与所述下肢部相连；处于不受力的自然状态时，所述头部和所述腹部与接触面之间具有间隙，且所述头部与接触面之间的距离较所述腹部与接触面之间的距离大，所述前腿和所述后腿均与接触面相抵接；所述前腿的一端与所述柔性躯干相连，处于不受力的自然状态时，所述前腿的另一端朝向远离所述后腿的方向倾斜并与接触面相抵接，所述下肢部与接触面相平行，所述后腿与所述下肢部平行设置并与接触面相抵接。

2.根据权利要求1所述的磁控双向运动软体机器人，其特征在于：所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器设置于所述头部朝向接触面的一侧，所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器设置于所述腹部朝向接触面的一侧，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器和所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器均由阵列化填充钕铁硼磁颗粒的硅胶制成。

3.根据权利要求2所述的磁控双向运动软体机器人，其特征在于：所述柔性躯干和所述腿部结构均由硅胶材质制成，所述第一磁驱动柔性薄膜驱动器、所述第二磁驱动柔性薄膜驱动器和所述腿部结构均通过粘附材料与所述柔性躯干粘接相连，所述粘附材料为硅胶粘接剂。

4.根据权利要求1所述的磁控双向运动软体机器人，其特征在于：处于不受力的自然状态时，所述头部与接触面相平行，所述腹部自所述头部向所述下肢部倾斜。

5.根据权利要求4所述的磁控双向运动软体机器人，其特征在于：所述后腿远离所述前腿的一端突出所述下肢部设置。

Images